文 雯，毛先進(jìn)

（云南省地震局, 昆明 650224）

0 引言

地電阻率前兆觀測(cè)中采用的觀測(cè)裝置大體有兩種，即對(duì)稱四極裝置和偶極裝置[1]（觀測(cè)的結(jié)果稱為視電阻率）。中國地震觀測(cè)中多年來基本采用對(duì)稱四極裝置，供電極距在1 000 m左右，研究表明這種尺度的對(duì)稱四極裝置在多次M≥7大地震前都觀測(cè)到了較為明顯的前兆異常[2-7]。然而地下潛水位變化、降雨等會(huì)導(dǎo)致地表下淺層介質(zhì)電阻率的變化，從而對(duì)觀測(cè)形成干擾。前蘇聯(lián)、美國、日本在實(shí)驗(yàn)觀測(cè)中多采用偶極裝置[8]，其偶極距為數(shù)公里到數(shù)十公里，國內(nèi)亦有學(xué)者開展過偶極距數(shù)公里的偶極裝置觀測(cè)實(shí)驗(yàn)[9]。這種大偶極距的觀測(cè)具有探測(cè)地殼深部地電阻率變化的能力，在中、強(qiáng)地震前曾觀測(cè)到易于識(shí)別的視電阻率異常變化[8-9]。然而大偶極距觀測(cè)需要數(shù)十至數(shù)萬安培的供電電流，花費(fèi)昂貴且環(huán)境與安全保護(hù)范圍很大，難以長(zhǎng)期維持。

合適的觀測(cè)方法應(yīng)是既能有效壓制近地表層干擾、反映較深地層的電阻率變化，又能經(jīng)濟(jì)、安全地觀測(cè)運(yùn)行。從利用對(duì)稱四極裝置和大偶極裝置各自的優(yōu)點(diǎn)、克服各自困難的思路出發(fā)，本文研究小偶極裝置（指偶極距數(shù)百米的赤道偶極裝置）與對(duì)稱四極裝置在壓制淺部地層干擾、反映下部地層電阻率變化能力以及觀測(cè)信號(hào)強(qiáng)度等方面的差異性，為臺(tái)站建設(shè)及改造中選擇地電阻率觀測(cè)裝置提供參考。

1 小偶極裝置

圖1a 是對(duì)稱四極裝置平面圖，4個(gè)電極排列在一條直線上且測(cè)量偶極MN與供電偶極AB的中心點(diǎn)O、O′重合；圖1b中測(cè)量偶極MN中心點(diǎn)O′與供電偶極AB中心點(diǎn)O的連線OO′垂直于AB及MN，當(dāng)偶極距OO′?AB和MN時(shí)，圖1b稱為赤道偶極偶極裝置。

圖1 觀測(cè)裝置平面圖

考慮到不加大觀測(cè)環(huán)境范圍，又能與對(duì)稱四極裝置相比較，本文中將赤道偶極裝置的偶極矩OO′取0.5AB。由于偶極距較小，稱之為小偶極裝置。

2 觀測(cè)系統(tǒng)特性指標(biāo)

影響系數(shù)、觀測(cè)信號(hào)強(qiáng)度等是反映觀測(cè)系統(tǒng)特性的2個(gè)重要指標(biāo)[10-11]，下面對(duì)其做簡(jiǎn)要介紹。

2.1 影響系數(shù)

假定地電阻率觀測(cè)區(qū)介質(zhì)電阻率分層均勻，共n層，第i層電阻率與厚度為ρi與hi，i=1,2, ..... ,n。用四極裝置觀測(cè)到的視電阻率ρs既是地下各層電阻率和厚度的函數(shù)，同時(shí)也與觀測(cè)裝置密切相關(guān)，即

式中：C代表觀測(cè)裝置，其實(shí)質(zhì)是供電偶極與測(cè)量偶極之間的相對(duì)位置關(guān)系。

不妨假定各層只是電阻率變化，厚度保持不變。由式（1）可以得到

式中：Si稱為影響系數(shù)，是在給定的布極參數(shù)下，第i層電阻率變化率對(duì)觀測(cè)值變化率的貢獻(xiàn)權(quán)系數(shù)。

2.2 觀測(cè)信號(hào)強(qiáng)度

觀測(cè)信號(hào)強(qiáng)度是指測(cè)量極M、N之間的電位差，其決定了信噪比。對(duì)于給定的觀測(cè)場(chǎng)地，電位差取決于觀測(cè)裝置和供電電流強(qiáng)度，本文計(jì)算對(duì)比小偶極裝置與對(duì)稱四極裝置（圖1）在觀測(cè)信號(hào)強(qiáng)度方面的差異。因信號(hào)強(qiáng)度與供電電流強(qiáng)度成正比，下文中給出的是供電電流為1 A時(shí)測(cè)量極間的電位差。

3 小偶極裝置與對(duì)稱四極裝置觀測(cè)特性比較

地電阻率結(jié)構(gòu)因場(chǎng)地而異，本文選擇國內(nèi)幾個(gè)典型臺(tái)站，利用電阻率轉(zhuǎn)換函數(shù)[13]計(jì)算出電阻率，并求出影響系數(shù)Si和觀測(cè)信號(hào)強(qiáng)度，研究小偶極裝置與對(duì)稱四極裝置在影響系數(shù)及信號(hào)強(qiáng)度方面的差異性。

1）成都臺(tái)

成都臺(tái)NE測(cè)向視電阻率在汶川8.0級(jí)大地震前曾出現(xiàn)2年多的趨勢(shì)性下降異常[5,7]。該臺(tái)NE測(cè)向地電結(jié)構(gòu)為4層，各層電阻率依次為80 Ω·m、520 Ω·m、210 Ω·m、43 Ω·m，各層厚度依次為2 m、9 m、45 m[14]，對(duì)稱四極裝置AB/MN為736 m/226 m，小偶極裝置的偶極距取0.5AB。表1為成都臺(tái)NE測(cè)向?qū)ΨQ四極與小偶極裝置觀測(cè)特性計(jì)算結(jié)果。

表1 成都臺(tái)NE測(cè)向小偶極與對(duì)稱四極裝置觀測(cè)特性計(jì)算結(jié)果

從表1可見，與對(duì)稱四極裝置相比：采用小偶極裝置時(shí)，易受干擾的第1、2層的影響系數(shù)的絕對(duì)值都有明顯減少，分別減少了|(0.010 3-0.043 8)/0.043 8×100%|=76.4%和|(0.001 4-0.003 4)/0.003 4×100%|=59.5%(計(jì)算方法下同)，第4層的影響系數(shù)則增加了4.8%，這對(duì)于壓制第1、2層的干擾是很有意義的，也有利于獲取下部電阻率變化。

信號(hào)強(qiáng)度方面，供電電流為1 A時(shí)（下同）小偶極與對(duì)稱四極裝置的電位差分別為8.3 mV及28.7 mV，根據(jù)我國地電阻率前兆觀測(cè)規(guī)范中電壓分辨力≤0.01 mV的要求[15]，在現(xiàn)有觀測(cè)儀器技術(shù)水準(zhǔn)下，采用小偶極裝置觀測(cè)時(shí)信號(hào)強(qiáng)度是足夠的。

2）甘孜臺(tái)

甘孜臺(tái)NE及NW兩個(gè)測(cè)向視電阻率在汶川8.0級(jí)大地震前均出現(xiàn)2年多的趨勢(shì)性下降異常[5]。以NE測(cè)向?yàn)槔?，地電結(jié)構(gòu)為4層，各層電阻率依次為180 Ω·m、215 Ω·m、540 Ω·m、25 Ω·m，各層厚度依次為3 m、7 m、41 m[16]，對(duì)稱四極裝置AB/MN為500 m/140 m，小偶極裝置的偶極距取0.5AB。表2為甘孜臺(tái)NE測(cè)向計(jì)算結(jié)果。

表2 甘孜臺(tái)NE測(cè)向小偶極與對(duì)稱四極裝置觀測(cè)特性計(jì)算結(jié)果

從表2可見，與對(duì)稱四極裝置相比，采用小偶極裝置時(shí)，易受干擾的第1、2層的影響系數(shù)的絕對(duì)值分別減少了43.6%和40.1%，而第4層的影響系數(shù)則增加了105.9%。因此，小偶極裝置壓制第1、2層干擾和獲取下部地層電阻率變化信息的能力顯著優(yōu)于對(duì)稱四極裝置。

信號(hào)強(qiáng)度方面，小偶極與對(duì)稱四極裝置的電位差分別為8.1 mV及54.5 mV，根據(jù)中國地電阻率前兆觀測(cè)規(guī)范中電壓分辨力≤0.01 mV的要求[15]，在現(xiàn)有觀測(cè)儀器技術(shù)水準(zhǔn)下，采用小偶極裝置觀測(cè)時(shí)信號(hào)強(qiáng)度是足夠的。

3）寶坻臺(tái)

與唐山臺(tái)類似，寶坻臺(tái)NS及EW兩個(gè)測(cè)向視電阻率在唐山7.8級(jí)大地震前亦曾觀測(cè)到約3年的持續(xù)性下降[1]，在視電阻率從最低值回升過程中發(fā)生主震。該臺(tái)地電結(jié)構(gòu)為4層，各層電阻率依次為35 Ω·m、10 Ω·m、39 Ω·m、270 Ω·m，各層厚度依次為2 m、2 m、280 m[14]，對(duì)稱四極裝置AB/MN為1 000 m/200 m，小偶極裝置的偶極距取0.5AB，表3為計(jì)算結(jié)果。

表3 寶坻臺(tái)小偶極與對(duì)稱四極裝置觀測(cè)特性計(jì)算結(jié)果

從表3可見，與對(duì)稱四極裝置相比，采用小偶極裝置時(shí)，易受干擾的第1、2層的影響系數(shù)略有增加，分別增加10.0%和9.6%，壓制第1、2層的干擾略有不利；由于第1、2層厚度之和只有4 m，其下的第3層（厚度280 m）的淺部可能受干擾，該層的影響系數(shù)減少了8.6%，這對(duì)于壓制第3層的干擾略為有利；第4層的影響系數(shù)則增加了57.4%，這表明獲取下部地層電阻率變化能力優(yōu)于對(duì)稱四極裝置。

信號(hào)強(qiáng)度方面，小偶極與對(duì)稱四極裝置的電位差分別為6.7 mv及15.4 mv，根據(jù)中國地電阻率前兆觀測(cè)規(guī)范中電壓分辨力≤0.01 mV的要求[15]，在現(xiàn)有觀測(cè)儀器技術(shù)水準(zhǔn)下，采用小偶極裝置觀測(cè)時(shí)信號(hào)強(qiáng)度是足夠的。

4）昌黎臺(tái)

昌黎臺(tái)NS及EW兩個(gè)測(cè)向視電阻率在唐山7.8級(jí)大地震前亦曾觀測(cè)到2年多的持續(xù)性下降[1]，在視電阻率從最低值回升過程中發(fā)生主震。該臺(tái)地電結(jié)構(gòu)為4層，各層電阻率依次為45 Ω·m、90 Ω·m、55 Ω·m、1 300 Ω·m，各層厚度依次為6 m、24 m、85 m[17]，對(duì)稱四極裝置AB/MN為1 000 m/200 m，小偶極裝置的偶極距取0.5AB，表4為計(jì)算結(jié)果。

表4 昌黎臺(tái)小偶極與對(duì)稱四極裝置觀測(cè)特性計(jì)算結(jié)果

從表4可見，與對(duì)稱四極裝置相比：采用小偶極裝置時(shí)，易受干擾的第1、2層的影響系分別減少了5.6%和5.7%，對(duì)壓制第1、2層干擾略為有利，第4層的影響系數(shù)增加了35.8%，獲取下部電阻率變化信息的能力有一定提高。

信號(hào)強(qiáng)度方面，小偶極與對(duì)稱四極裝置的電位差分別為26.1 mV及 56.7 mV，根據(jù)中國地電阻率前兆觀測(cè)規(guī)范中電壓分辨力≤0.01 mV的要求[15]，在現(xiàn)有觀測(cè)儀器技術(shù)水準(zhǔn)下，采用小偶極裝置觀測(cè)時(shí)信號(hào)強(qiáng)度是足夠的。

5）唐山臺(tái)

唐山臺(tái)NS及EW兩個(gè)測(cè)向視電阻率在唐山7.8級(jí)大地震前曾觀測(cè)到3年多的趨勢(shì)性下降異常[1]，在視電阻率從最低值回升過程中發(fā)生主震。該臺(tái)地電結(jié)構(gòu)為4層，各層電阻率依次為23 Ω·m、16 Ω·m、44 Ω·m、51 Ω·m，各層厚度依次為3.0 m、2.3 m、11.0 m[14]，對(duì)稱四極裝置AB/MN為1 000 m/200 m，小偶極裝置的偶極距取0.5AB，表5為計(jì)算結(jié)果。

表5 唐山臺(tái)小偶極與對(duì)稱四極裝置觀測(cè)特性計(jì)算結(jié)果

從表5可見，與對(duì)稱四極裝置相比，采用小偶極裝置時(shí)，易受干擾的第1、2層的影響系數(shù)分別減少了53.6%和55.9%。由于第1、2層厚度之和只有為5.3 m，其下的第3層（厚度11 m）可能受干擾，該層的影響系數(shù)減少了52.9%，這表明壓制第1、2及3層干擾的能力明顯優(yōu)于對(duì)稱四極裝置；第四層影響系數(shù)略有增加，表明在獲取下部地層電阻率變化信息能力方面與對(duì)稱四極裝置基本相當(dāng)。

信號(hào)強(qiáng)度方面，小偶極與對(duì)稱四極裝置的電位差分別為4.6 mV及13.5 mV，根據(jù)中國地電阻率前兆觀測(cè)規(guī)范中電壓分辨力≤0.01 mV的要求[15]，在現(xiàn)有觀測(cè)儀器技術(shù)水準(zhǔn)下，采用小偶極裝置觀測(cè)時(shí)信號(hào)強(qiáng)度是足夠的。

6）騰沖臺(tái)

騰沖臺(tái)EW測(cè)向視電阻率在1998年瀾滄-耿馬7.6級(jí)大地震前亦曾觀測(cè)到2年多的持續(xù)性下降[1]，同樣在從視電阻率最低值回升過程中發(fā)生主震。根據(jù)該臺(tái)電測(cè)深資料[18]的反演結(jié)果，該臺(tái)地電結(jié)構(gòu)為3層，各層電阻率依次為132 Ω·m、69 Ω·m、127 Ω·m，各層厚度依次為18 m、84 m，對(duì)稱四極裝置AB/MN為1 400 m/400 m，小偶極裝置的偶極距取0.5AB，表6為計(jì)算結(jié)果。

表6 騰沖臺(tái)小偶極與對(duì)稱四極裝置觀測(cè)特性計(jì)算結(jié)果

從表6可見，與對(duì)稱四極裝置相比，采用小偶極裝置時(shí)，易受干擾的第1層的影響系數(shù)減少了41.8%，對(duì)壓制第1層干擾較為有利，第3層的影響系數(shù)增加了12.2%，獲取下部電阻率變化信息的能力有一定提高。

信號(hào)強(qiáng)度方面，小偶極與對(duì)稱四極裝置的電位差分別為11.0mV及32.5mV，根據(jù)中國地電阻率前兆觀測(cè)規(guī)范中電壓分辨力≤0.01mV的要求[15]，在現(xiàn)有觀測(cè)儀器技術(shù)水準(zhǔn)下，采用小偶極裝置觀測(cè)時(shí)信號(hào)強(qiáng)度是足夠的。

4 討論與結(jié)論

眾所周知，對(duì)于電性非均勻的地下電性結(jié)構(gòu)，采用不同觀測(cè)裝置及不同電極距時(shí)觀測(cè)到的視電阻率是不同的。地電阻率前兆觀測(cè)目的是監(jiān)視地下介質(zhì)電阻率的時(shí)間變化，因此不同觀測(cè)裝置及不同電極距在定點(diǎn)長(zhǎng)期觀測(cè)中的效果可能不同。目前國內(nèi)地電阻率前兆觀測(cè)中絕大多數(shù)采用對(duì)稱四極裝置，在電極距相同時(shí)，是否有性能更好的觀測(cè)裝置可以選擇，需要比較研究對(duì)稱四極與其他裝置觀測(cè)性能的差異。

本文研究的幾個(gè)臺(tái)站中，電阻率結(jié)構(gòu)既有下伏低阻型（成都臺(tái)與甘孜臺(tái)）和下伏高阻型（寶坻臺(tái)與昌黎臺(tái)），也有均勻型（本文指基底與上部各層電阻率較為接近的類型，如唐山與騰沖臺(tái)），這些臺(tái)站的電性結(jié)構(gòu)具有較好的代表性。對(duì)于這些臺(tái)站，從影響系數(shù)與人工信號(hào)強(qiáng)度來看，研究顯示對(duì)稱四極與小偶極裝置具有如下差異。

1）對(duì)下伏低阻型結(jié)構(gòu)，小偶極裝置觀測(cè)時(shí)淺部地層影響系數(shù)比對(duì)稱四極裝置顯著降低，下部地層的影響系數(shù)增加且增加幅度與電阻率結(jié)構(gòu)關(guān)系密切（本文中，成都臺(tái)增加5%而甘孜臺(tái)增加105%）。與對(duì)稱四極裝置相比，在壓制淺部干擾、獲取下部地層電阻率變化能力方面小偶極裝置明顯優(yōu)于對(duì)稱四極裝置。

2）對(duì)下伏高阻型結(jié)構(gòu)，小偶極裝置壓制淺層干擾的能力與對(duì)稱四極裝置相當(dāng)，但獲取下部地層電阻率變化的能力明顯優(yōu)于對(duì)稱四極裝置。

3）對(duì)于均勻型結(jié)構(gòu)，在壓制淺層干擾的能力上，小偶極裝置明顯優(yōu)于對(duì)稱四極裝置，而獲取下部地層電阻率變化能力與對(duì)稱四極裝置基本相當(dāng)或有一定提高。

4）無論哪一類電阻率結(jié)構(gòu)，小偶極裝置的信號(hào)強(qiáng)度都明顯低于對(duì)稱四極裝置，但在現(xiàn)有觀測(cè)儀器技術(shù)水準(zhǔn)下，采用小偶極裝置觀測(cè)時(shí)信號(hào)強(qiáng)度是足夠的。

以上差異表明，在壓制淺層干擾、反應(yīng)下部介質(zhì)電阻率變化方面，小偶極裝置優(yōu)于對(duì)稱四極裝置，而優(yōu)勢(shì)程度與電性結(jié)構(gòu)有關(guān)。